Zirconia cúbica

Antecedentes

Una gema o piedra preciosa se puede definir como una joya o piedra semipreciosa tallada y pulida para adorno personal. Las piedras preciosas producidas en los Estados Unidos y otros países productores son de tres tipos; natural, sintético y simulante. Las piedras preciosas naturales se cortan a partir de minerales de forma cristalina como el berilo, el corindón y el cuarzo. (El diamante es un cristal de carbono puro). Los materiales orgánicos como el ámbar, coral, fósil, marfil, nácar, perlas naturales y cultivadas de agua dulce y perlas naturales de agua salada también se consideran piedras preciosas naturales.

Las piedras preciosas sintéticas cultivadas en laboratorio tienen esencialmente la misma apariencia, propiedades ópticas, físicas y químicas que el material natural que representan. Las piedras preciosas sintéticas producidas en los Estados Unidos incluyen alejandrita, coral, diamante, esmeralda, granate, cuarzo, rubí, zafiro, espinela y turquesa. También hay piedras sintéticas que no tienen contraparte natural.

Los simulantes son materiales de gemas cultivados en laboratorio que tienen una apariencia similar a la de un material de gemas naturales, pero tienen diferentes propiedades ópticas, físicas y químicas. La zirconia cúbica (CZ), un reemplazo del diamante, entra en esta categoría y se utilizó por primera vez para la producción de piedras de joyería en 1976. En la escala de dureza de las piedras, el diamante genuino es un 10 en comparación con una dureza que oscila entre 8,5 y 9. para CZ. La CZ tiene un índice de refracción (la capacidad de refractar un rayo de luz en colores rojo, naranja, verde, amarillo, violeta y azul) de 2.15-2.18, en comparación con 2.42 para el diamante genuino.

Los predecesores de la zirconia cúbica como imitaciones de diamantes incluyeron el titanato de estroncio (introducido en 1955) y el granate de itrio y aluminio. Sin embargo, el titanato de estroncio era demasiado blando para ciertos tipos de joyería. La circonita cúbica se hizo más popular ya que su apariencia es muy cercana al diamante como gemas talladas.

Los simuladores de piedras preciosas producidas en los Estados Unidos incluyen coral, zirconia cúbica, lapislázuli, malaquita y turquesa. Además, ciertos colores de zafiro sintético y espinela, utilizados para representar otras piedras preciosas, se clasificarían como simuladores. Las variedades coloreadas e incoloras de CZ son los principales tipos de simulantes producidos y han estado en el mercado durante más de 30 años. Al igual que con el diamante genuino, CZ está disponible en grados superiores e inferiores, que van desde varias decenas de dólares por quilate hasta 100 dólares por quilate para los grados superiores.

En la última década, ha aumentado el uso y la aceptación por parte de los consumidores de piedras preciosas sintéticas y simulantes. Gran parte de este crecimiento es el resultado directo del reconocimiento de estas piedras preciosas por sus propios méritos, no solo como sustitutos económicos de las piedras preciosas naturales. La producción anual de piedras preciosas sintéticas y simulantes de EE. UU. Se valora actualmente en alrededor de $ 20 millones, con una producción de piedras preciosas naturales en aproximadamente dos veces y media esa cantidad.

Materias primas

La zirconia cúbica está hecha de una mezcla de polvos de óxido de circonio de alta pureza estabilizados con magnesio y calcio. La cantidad de cada ingrediente se controla cuidadosamente, y a veces se utilizan ciertos aditivos para lograr una apariencia similar a los diamantes genuinos.

El
proceso de fabricación

Los productores de piedras preciosas sintéticas y simuladas utilizan muchos métodos de producción diferentes, pero se pueden agrupar en uno de tres tipos de procesos:crecimiento en fusión, crecimiento en solución o crecimiento a alta presión y temperatura extremadamente alta. Las técnicas de solución para hacer gemas sintéticas incluyen métodos de flujo para esmeralda, rubí, zafiro, espinela y alejandrita. El otro método de solución es el método hidrotermal, que a menudo se usa para cultivar berilo (esmeralda, aguamarina y morganita) y cuarzo. Este método utiliza un recipiente a presión grande llamado autoclave.

Otras técnicas involucran reacciones en estado sólido o líquido y transformaciones de fase para jade y lapislázuli; deposición en fase vapor para rubí y zafiro; cerámica para turquesa, lapislázuli y coral; y otros para ópalos, o simuladores o imitaciones de vidrio y plásticos. Los procesos de fusión de Vemeuil, Czochralski y cráneo son las técnicas de fusión más utilizadas para materiales de gemas.

El químico francés Edmond Fremy produjo las primeras piedras preciosas sintéticas comerciales en 1877 mediante un método de crecimiento por fusión. Estos eran pequeños cristales de rubí y se cultivaron fusionando una mezcla que contenía óxido de aluminio en un crisol de arcilla, el proceso tomó aproximadamente ocho días. Estos se denominaron rubíes reconstruidos. En 1885, aparecieron rubíes sintéticos más grandes mediante un proceso de fusión por llama y polvo de alúmina. Posteriormente, se cultivaron zafiro, espinela, rutilo y titanato de estroncio con esta técnica, también conocida como método Vemeuil.

El método de crecimiento tirado de Czochralski, desarrollado alrededor de 1917 por un científico del mismo nombre, se utiliza para rubí, zafiro, espinela, itrio-aluminio-gamet (YAG), gadolinio-galio-granate (GGG) y alejandrita. En el método de Czochralski, los ingredientes en polvo se funden en un crisol de platino, iridio, grafito o cerámica. Se adjunta un cristal semilla a un extremo de una varilla giratoria, la varilla se baja al crisol hasta que la semilla apenas toca la masa fundida y luego la varilla se retira lentamente. El cristal crece a medida que la semilla extrae materiales de la masa fundida, y el material se enfría y solidifica. Sin embargo, debido a la tensión superficial de la masa fundida, el cristal en crecimiento permanece en contacto con el material fundido y continúa creciendo hasta que se agota la masa fundida.

Normalmente, la semilla se extrae de la masa fundida a una velocidad de 0,0394-3,94 pulgadas (1-100 mm) por hora. Los cristales cultivados con este método pueden ser muy grandes, más de 50 mm (1,97 pulgadas) de diámetro y 1 m (3,281 pies) de longitud, y de muy alta pureza. Cada año, los productores que utilizan este método cultivan millones de quilates de cristales. El método de fusión del cráneo se utiliza para zirconia cúbica y se describirá con más detalle a continuación.

Ciertas piedras preciosas plantean problemas únicos cuando se intenta cultivarlas. Los problemas surgen porque ciertos materiales son tan reactivos que no pueden fundirse incluso en crisoles de platino e iridio no reactivos o se funden a temperaturas más altas que las que pueden soportar los materiales del crisol. Por lo tanto, se debe utilizar otro sistema de fusión, llamado sistema de fusión del cráneo. La zirconia cúbica, debido a su alto punto de fusión, debe cultivarse utilizando este método.

Derretir

• 1 La "calavera" es una copa de cobre de paredes huecas. El agua circula a través de las paredes huecas para enfriar la pared interior del cráneo. La taza se llena con ingredientes en polvo y se calienta por inducción de radiofrecuencia hasta que los polvos se derriten. Debido a que el agua enfría las paredes del cráneo, los materiales en polvo próximos a las paredes no se derriten y el material fundido está contenido dentro de un caparazón de material sin fundir. Por lo tanto, la masa fundida reactiva o de alta temperatura está contenida dentro de sí misma.
• 2 Cuando se retira la fuente de calor y se deja enfriar el sistema, los cristales se forman por nucleación y crecen hasta que se solidifica por completo. Los cristales cultivados con este sistema varían en tamaño, dependiendo del número de nucleaciones. En el cultivo de circonio cúbico, un solo cráneo produce alrededor de 2,205 libras (1 kg) de material por ciclo.

Cortar

El corte en cualquier piedra, ya sea natural o de imitación, depende de la habilidad del picapedrero. El cortador debe evaluar cuidadosamente un cristal de gema para determinar qué parte del cristal debe cortarse para producir una piedra o piedras con buena claridad. El cortador también debe determinar qué formas de piedra aprovecharán al máximo el cristal. El cortador debe hacer el mayor uso posible del cristal, ya que el diamante es demasiado valioso para desperdiciarlo.

La proporción juega un papel importante en el corte de un diamante. Una piedra ideal se corta según especificaciones matemáticas para permitir que se refleje una cantidad máxima de luz a través de la piedra. Este tipo de corte se conoce como corte brillante. Las variaciones de estas proporciones establecidas pueden reducir el brillo de la piedra. Al trabajar con diamantes, un cortador puede encontrar más rentable variar desde estos ángulos para eliminar un defecto o inclusión, y aún así conservar el peso máximo en quilates. Como los cristales de diamantes falsificados tienen un costo más moderado y una claridad casi impecable, las piedras más grandes se pueden cortar en proporciones correctas.

• 3 Hay varios pasos para cortar. Primero, la piedra se marca para indicar los planos de división y luego se corta para dar la forma inicial a la piedra. Dado que la zirconia cúbica se divide fácilmente en direcciones paralelas a la cara del cristal octaédrico, se puede escindir utilizando herramientas especiales impregnadas con polvo de diamante. Una alternativa al corte es el aserrado, que se usa para eliminar las áreas defectuosas (las piedras de imitación no tendrán tantas) usando un pequeño disco de bronce fosforoso impregnado con diamante en su borde. Las máquinas programables de precisión ahora se utilizan para cortar piedras a una medida predeterminada (llamada calibración), de modo que cada piedra se pueda producir con el mismo tamaño, forma y profundidad.
• 4 El siguiente paso, llamado bruting o redondeo, consiste en redondear las esquinas de los bordes hendidos. Esto se logra utilizando una máquina equipada con una herramienta de diamante llamada afilado.
• 5 Después de brillar o redondear, la piedra se faceta con una rueda de corte de hierro fundido. El pulido sigue a una operación secundaria de tallado.
• 6 El paso final es una limpieza profunda hirviendo en ácido para eliminar todo rastro de aceite, suciedad y polvo de diamante. Después de inspeccionar las piedras con un microscopio, se empaquetan en un paquete de espuma.

Control de calidad

La calidad de una piedra real o de imitación está determinada por las cuatro C:quilates, color, claridad y corte. Es la combinación de los grados en los cuatro lo que determina la calidad final y, por lo tanto, el valor de un diamante genuino y de imitación. El peso en quilates de 0.0175 oz (0.5 g) de un diamante genuino es el peso de la piedra en quilates. Las piedras sintéticas son siempre más pesadas en quilates que los diamantes genuinos, ya que el material del que están hechas es más denso.

El color de un diamante puede afectar su valor. La ausencia total de color representa el extremo superior de la escala, y las piedras pálidas y teñidas de manera desigual comprenden el extremo inferior. Los diamantes con un grado de color inusualmente alto se conocen como fantasías y se clasifican según la uniformidad, la rareza y el tono del color. Tanto los diamantes genuinos como los de circonita cúbica están disponibles en varios colores que van desde los amarillos más pálidos hasta los rojos brillantes.

La claridad es la claridad o transparencia de una piedra. En los diamantes genuinos, la claridad está determinada por la naturaleza, los diminutos rastros minerales y los pequeños cristales de imperfecciones que pueden enturbiar una piedra. Cuanto más clara es la piedra, más valiosa es. La claridad de un diamante falso se puede controlar en el laboratorio. Sin embargo, una mala fusión puede producir piedras con pequeñas inclusiones. Las variaciones en las mezclas de óxidos metálicos pueden cambiar el color de la piedra. La coloración desigual es tan indeseable en un diamante falso como en un diamante genuino.

De las cuatro C, el corte es el más importante para determinar el brillo de un diamante. En 1919, Marcel Tolkowsky, un cortador de diamantes de tercera generación nacido en Amberes y estudiante de ingeniería mecánica, determinó las proporciones adecuadas en las que se debe cortar un diamante para obtener el máximo fuego y brillo. Este ideal, conocido como Brilliant Cut, es un estándar objetivo medible. Cada diamante de talla brillante tiene 58 facetas, cortadas en ángulos precisos determinados matemáticamente para reflejar y refractar los rayos de luz máximos. Esto garantiza que un diamante ha sido cortado en sus mejores proporciones posibles para una belleza óptima en lugar de simplemente mantener el peso máximo en quilates. De hecho, la proporción de diamantes y los grados de acabado se definen en términos del grado de desviación de esta norma. En el método de fusión del cráneo para cultivar circonio cúbico, se llena una taza de cobre de paredes huecas con ingredientes en polvo y se calienta por inducción de radiofrecuencia hasta que los polvos se derritan. El agua que circula dentro de las paredes huecas enfría la pared interior del cráneo. Debido a que el agua enfría las paredes del cráneo, los materiales en polvo próximos a las paredes no se derriten y el material fundido está contenido dentro de un caparazón de material sin fundir. Por lo tanto, la masa fundida reactiva o de alta temperatura está contenida dentro de sí misma. Cuando se retira la fuente de calor y se permite que el sistema se enfríe, los cristales se forman por nucleación y crecen hasta que se solidifica toda la masa fundida. Un solo cráneo produce alrededor de 2,205 libras (1 kg) de circonio cúbico por ciclo. Esta norma también se aplica a los diamantes de imitación fabricados con circonita cúbica.

Aunque el corte brillante de 58 facetas se conoce como la medida estándar de calidad en la industria del corte, existen casos especiales en los que se necesitan desviaciones. Demasiada refracción de la luz en un área pequeña reduce la claridad, por lo tanto, las piedras extremadamente pequeñas pueden cortarse con menos facetas. Las piedras más grandes pueden cortarse con más facetas por la razón opuesta. El tamaño de la piedra puede aumentar tanto el ancho de las facetas que se pierde brillo. No es raro encontrar diamantes de un quilate y más cortados de esta manera. Con la introducción de nuevos cortes como el radiante, princesa y billón, la demanda de piedras multifacéticas ha aumentado.

Hay una variedad de formas que se pueden cortar. La ronda ofrece el máximo brillo, dispersión, fuego y es la más popular de todas las formas de diamantes genuinos y de imitación. El óvalo tiene una forma oblonga, una forma ligeramente alargada. Las facetas alrededor de la parte superior de la piedra son muy similares a la disposición de las facetas de la piedra redonda. Por esta razón, un diamante ovalado bien cortado emite una apariencia brillante, atrapando y reflejando la luz de todas las direcciones. El tiempo (de ocho a 10 horas por un quilate) requerido para cortar un óvalo es aproximadamente el doble del tiempo necesario para cortar una piedra redonda porque se necesita más tiempo para dar la forma primaria.

Se utilizan otros métodos de prueba para medir las propiedades ópticas y físicas. Se utiliza un microscopio binocular para buscar defectos como inclusiones. El índice de refracción se mide con un refractómetro. La gravedad específica de una piedra se determina al ver si se hundirá, flotará o permanecerá estacionaria en un líquido con una gravedad específica conocida.

El futuro

Según los expertos de la industria, se espera que el mercado de la joyería de circonio cúbico mantenga una posición estable a medida que los minoristas del mercado masivo continúen ofreciéndola a sus clientes y el precio continúe bajando. La circonita cúbica también se está volviendo más rentable como sustituto del diamante genuino en los aretes, el solitario de diamantes y la pulsera de tenis. En otras palabras, ya no se considera solo una imitación barata, especialmente con mejoras en brillo y reflexión. Por tanto, se prevé una tasa de crecimiento global del mercado de alrededor del 10%. Aunque recientemente se ha introducido un nuevo simulante de diamante llamado moissanita sintética (un carburo de silicio cristalizado), el precio más alto y el proceso más difícil de este material lo limitarán a competir con la zirconia cúbica.